Linux之线程互斥
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一、问题引入
大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。
我们来看看下面的多线程抢票系统的代码：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
using namespace std;
int ticket = 100;
void *getticket(void *arg)
{
char *name = (char *)arg;
while (true)
{
if (ticket > 0)
{
usleep(1000);
cout << name << ":"
<< " " << ticket << endl;
ticket--;
}
else
break;
}
}
int main()
{
pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
pthread_create(&tid1, nullptr, getticket, (void *)"thread 1");
pthread_create(&tid2, nullptr, getticket, (void *)"thread 2");
pthread_create(&tid3, nullptr, getticket, (void *)"thread 3");
pthread_create(&tid4, nullptr, getticket, (void *)"thread 4");
pthread_join(tid1, nullptr);
pthread_join(tid2, nullptr);
pthread_join(tid3, nullptr);
pthread_join(tid4, nullptr);
return 0;
}
这里的ticket变量是一个全局变量，那么它就会被所有线程共享。创建线程后，所有线程访问getticket函数，对其进行了重入，访问ticket并对ticket--。但是，我们发现，票数出现了负数，这完全不符合我们的代码逻辑和想要的结果。这是为什么呢？
首先，程序在编译的时候会被编译成汇编代码， 而在汇编代码中，ticket--操作在我们看来只有一行代码，但是在汇编中它其实分为了三步：1、将ticket值拷入到CPU寄存器中；2、CPU对其进行--操作；3、将结果写回内存。
而我们知道进程是有时间片的，在执行完上面任意一步时，线程可能因为时间片到了而被切换。而这就会造成一些问题。如下图：
线程A先进入，在完成第二步 -- 操作后，因为时间片到了，要被切换出去，99作为上下文数据被保存起来随A一起被切换。线程B进入，因为B的时间片比较长，他把ticket值减到了50并写回了内存后，时间片到了，被切换。线程A再次进入CPU，把上下文恢复，然后接着第3步执行，直接把99写到了内存里面。
线程B明明已经让ticket的值减到了50，结果你个线程A又直接把结果改成了99。这样就出现了数据错乱的现象。
在我们对ticket进行并发访问的时候，由于ticket- - 操作并不是原子的，所以出现了数据不一致的情况。这种情况怎么解决呢？我们接着往下讲。
二、线程互斥
1、相关概念
1、临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源。
2、临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区。
3、互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用。
4、原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。
2、加锁保护
为了解决上面代码的数据不一致的问题，需要做到三点：
1、代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
2、如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
3、如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。
而其中最简单的一种方法就是对临界资源进行加锁保护。以达到下面的效果：
定义和初始化锁的函数：
NAME
pthread_mutex_destroy, pthread_mutex_init - destroy and initialize a mutex
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
1、int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
2、int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
3、pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_mutex_t 是由原生线程库给用户提供的一个数据类型，就是我们常说的锁。上图的 1和2 是对锁进行局部定义时的销毁和初始化操作，相当于析构函数和构造函数。
上图的 3 是对全局锁或者static静态锁进行初始化的方式。下面我们一一讲解。
加锁和解锁函数：
发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请锁，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁，再去申请锁。
NAME
pthread_mutex_lock, pthread_mutex_trylock, pthread_mutex_unlock - lock and
unlock a mutex
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);1、静态分配
静态分配就是我们 3 对应的对锁定义和初始化的方式。我们使用它对抢票代码进行保护。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int ticket = 100;
void *getticket(void *arg)
{
char *name = (char *)arg;
while (true)
{
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁保护，其他线程只能在这阻塞等待，直到拿到锁
if (ticket > 0) // 这部分代码只能串行执行
{
usleep(rand() % 10000);
cout << name << ":"
<< " " << ticket << endl;
ticket--;
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 访问完临界资源，解锁，
// 让其他线程能够拿锁访问
}
else
{
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 访问完临界资源，解锁
// 让其他线程能够拿锁访问
break;
}
usleep(rand() % 2000000);
}
return nullptr;
}
int main()
{
srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 433);
pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
pthread_create(&tid1, nullptr, getticket, (void *)"thread 1");
pthread_create(&tid2, nullptr, getticket, (void *)"thread 2");
pthread_create(&tid3, nullptr, getticket, (void *)"thread 3");
pthread_create(&tid4, nullptr, getticket, (void *)"thread 4");
pthread_join(tid1, nullptr);
pthread_join(tid2, nullptr);
pthread_join(tid3, nullptr);
pthread_join(tid4, nullptr);
return 0;
}
注：加锁的时候，一定要保证加锁粒度越小越好。最好不要让一些非临界区也被加锁保护。
2、动态分配
如果我们定义的锁是一个局部变量，那么我们就要像下面的代码这样使用锁：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
#define THREAD_NUM 5
class threaddata
{
public:
threaddata(const string &s, pthread_mutex_t *m)
: name(s), mtx(m)
{}
public:
string name;
pthread_mutex_t *mtx;
};
int ticket = 100;
void *getticket(void *arg)
{
threaddata *td = (threaddata *)arg;
while (true)
{
pthread_mutex_lock(td->mtx);
if (ticket > 0)
{
usleep(rand() % 10000);
cout << td->name << ":"
<< " " << ticket << endl;
ticket--;
pthread_mutex_unlock(td->mtx);
}
else
{
pthread_mutex_unlock(td->mtx);
break;
}
usleep(rand() % 2000000);
}
delete td;
return nullptr;
}
int main()
{
pthread_mutex_t mtx;
pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);
srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 433);
pthread_t t[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
{
string name = "thread ";
name += to_string(i + 1);
threaddata *td = new threaddata(name, &mtx);
pthread_create(t + i, nullptr, getticket, (void *)td);
}
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
pthread_join(t[i], nullptr);
pthread_mutex_destroy(&mtx);
return 0;
}
3、锁的原理
通过加锁，我们能够保证执行临界资源的操作是原子的。可是，访问临界资源时，多个线程要申请同一把锁，那么就必须要能够看到同一把锁，那么这个锁不就成了一个临界资源了吗，那锁是怎么保证自己的安全的呢？
为了保证锁的安全，申请和释放锁的操作也必须是原子的。如何保证呢？
在汇编的角度，如果只有一行汇编语句，我们就认为该汇编语句的执行是原子的。一般来说，是使用swap或exchange指令，以一条汇编语句，将内存和CPU寄存器的数据进行交换。如下图：
线程a是第一个申请锁的。它先将 %al 的内容写成 0，然后交换 %al 和 mutex 的内容，%al 为 1，mutex为0。接着，判断%al的内容 >0，返回，成功拿到锁。线程a切出，寄存器%al的数据作为上下文随线程a一起切出。（当然，线程a可能在任何时候被切出，这是线程a时间片比较长的情况）。
线程b，接着申请锁。 它也先将 %al 的内容写成 0，然后交换 %al 和 mutex 的内容，%al 为 0，mutex为0。接着，判断%al的内容不大于0，于是线程b挂起等待。只有线程a将锁释放后，才能重新申请锁。
4、死锁
死锁：多线程场景中， 多个执行流彼此申请对方的锁资源，并且还不释放自己已申请的锁资源，进而导致执行流无法继续向下执行代码的现象。
产生死锁四个必要条件：
1、互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用。
2、请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3、不剥夺条件：一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
4、循环等待条件：若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系。
避免产生死锁：
1、破坏死锁的四个必要条件
2、加锁顺序一致
3、避免锁未释放的场景
4、资源一次性分配
三、可重入与线程安全
1、概念
~ 线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。
~ 重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。
2、常见的线程不安全的情况
1、不保护共享变量的函数。
2、函数状态随着被调用，状态发生变化的函数。
3、返回指向静态变量指针的函数。
4、调用线程不安全函数的函数。
3、常见不可重入的情况
1、调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的。
2、调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。
3、可重入函数体内使用了静态的数据结构。
4、可重入与线程安全联系
1、函数是可重入的，那就是线程安全的
2、函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题
3、如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的。
5、可重入与线程安全区别
1、可重入函数是线程安全函数的一种
2、线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。
3、如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。